CN108015767A - 一种空间机械臂应急操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种空间机械臂应急操作方法，包括：空间站上操作物的区域及空间机械臂工作空间的预处理，获得所需操作物的区域划分和空间机械臂的无碰撞工作空间；依据空间机械臂中间构型网络构建，获得所需空间机械臂中间构型集；依据预处理和空间机械臂中间构型集，设计一种空间机械臂应急操作方法，完成空间机械臂应急操作的任务。根据本发明实施例提供的技术方案，以实现空间机械臂应急操作的任务。

Description

一种空间机械臂应急操作方法

【技术领域】

本发明涉及针对空间操作物的机械臂快速路径规划技术，特别涉及一种空间机械臂应急操作方法。

【背景技术】

21世纪以来，国内外对机器人技术的发展越来越重视。机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高新技术之一。国内外产业界对机器人技术研究给予极大的重视。国内外产业界对机器人技术引领未来产业发展也寄予厚望。由此可见，机器人技术是未来高新技术、新兴产业发展的基础之一，对于航空航天领域具有重要意义。

由于太空任务的繁重性，需要更多的操作物在太空环境中进行舱外活动。如对空间站各个舱段进行组装、检修、维护；航天器的交会对接；故障卫星漂浮在空间站等。但是操作物难免因任务紧迫性，需要将其应急操作到指定位置。由于空间机械臂在空间站上可达范围广，可操作性强，由此借助空间机械臂将操作物应急操作到指定位置。因此，研究一种空间机械臂应急操作方法具有理论意义和现实意义。

【发明内容】

有鉴于此，本发明实施例提供了一种空间机械臂应急操作方法，以实现操作物需要应急返回到指定位置时空间机械臂具备快速地操作功能。

本发明实施例提供了一种方法，包括：

一种空间机械臂应急操作方法，其特征在于，所述方法包括：

依据操作物的区域和空间机械臂工作空间的预处理，获得所需操作物的区域的划分和空间机械臂的无碰撞工作空间；

依据空间机械臂中间构型网络构建，获得所需空间机械臂中间构型集；

依据预处理和空间机械臂中间构型集，设计一种空间机械臂应急操作方法，完成空间机械臂应急操作的任务。

上述方法中，所述操作物的区域的划分至少包括：

操作物的区域的表面栅格化，采用OSG的三维引擎的线段求交方法，并设置扫描精度对操作物的区域进行表面散点采样，得到操作物的区域表面散点集合文件。根据操作物的区域大小，对区域表面的每个散点进行归类，划分成若干个区域。

上述方法中，所述空间机械臂的无碰撞工作空间至少包括：

空间机械臂的无碰撞工作空间，通过蒙特卡洛法获取机械臂工作空间，结合碰撞检测算法，将机械臂与机械臂自身碰撞构型及机械臂与环境碰撞的构型剔除。

上述方法中，所述空间机械臂中间构型集构建至少包括：

空间机械臂的安全构型集是通过空间机械臂的无碰撞工作空间中任意构型采用避障路径规划算法成功规划到操作物的区域的构型集合；

空间机械臂的匹配构型集是采用线性加权和法算法，以距离和关节行程作为优化指标。再根据操作物的区域划分和优化指标，对空间机械臂的匹配构型集筛选到每个区域都对应最优地空间机械臂的匹配构型，所组成的集合是空间机械臂的中间构型集。

上述方法中，所述一种空间机械臂应急操作方法至少包括：

设计一种空间机械臂应急操作方法，利用空间机械臂应急操作方法将操作物运送到指定位置。其中，操作物和空间机械臂的状态分析包括操作物位置和空间机械臂工作状态的情况，判断操作物位置是否在空间机械臂可达工作范围内。因此，基于操作物的工作区域预处理和构建空间机械臂中间构型集，设计一种空间机械臂应急操作方法。

本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例的技术方案中，依据三维扫描获取表面散点，实现操作物工作区域散点化并对每个散点进行归类和区域划分。依据空间机械臂避障路径规划算法、线性加权和法算法和操作物工作区域的划分，完成了从空间机械臂的安全构型集到空间机械臂的匹配构型集的过程，并实现了最终应用于空间机械臂应急操作的中间构型集。依据设计的应急操作方法，解决了操作物在空间站出现紧急返回到指定位置时，空间机械臂辅助操作物应急操作到指定位置，为保证在时间紧急时，操作物能返回到指定位置提供了一定地保障。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

依据操作物的工作区域和空间机械臂工作空间的预处理，获得所需操作物工作区域的划分和空间机械臂的无碰撞工作空间；依据空间机械臂中间构型网络构建，获得所需空间机械臂中间构型集；依据预处理和空间机械臂中间构型集，设计应急操作方法，完成空间机械臂辅助操作物应急操作到指定位置。

图1是本发明实施例所提供的一种空间机械臂应急操作方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中操作物工作区域的预处理的流程示意图；

图3是本发明实施例中空间机械臂中间构型集构建的流程示意图；

图4是本发明实施例中一种空间机械臂应急操作方法的流程示意图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例给出一种空间机械臂应急操作方法，请参考图1，其为本发明实施例所提供的一种空间机械臂应急操作方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤101，依据空间站上操作物的区域和空间机械臂工作空间的预处理，获得所需操作物的区域划分和空间机械臂的无碰撞工作空间；

具体的，操作物的区域模型散点化处理的具体步骤如下：

1)导入模型。在OSG场景中，依次建立空间机械臂、舱体及太阳翼等各部件模型，此模型都是通过操作节点来完成的。OSG支持导入的模型格式有osg，3ds，ive等，本文中采用由3d max建立场景模型并转换为体积较小的.ive模型，其中应用osgDB::readNodeFile方法读取各个模型，加入场景根节点即可显示，此方法缩短模型导入时间和显示的速度。

2)形状包络。导入模型后，利用osg::BoundingSphere的getBound方法获得模型的球包围盒，在球包围盒的基础上再外接正方体包围盒。

3)直线扫描。根据扫描精度要求在正方体各表面均匀取点，对侧的表面点连成直线与场景中的模型相交，利用osgUtil::IntersectVisitor的hits方法即可获得模型的表面散点。

鉴于操作物的区域用三维扫描获取表面散点后，依据操作物的区域大小，对其散点进行每个散点的归类成若干个区域。

具体的，空间机械臂工作空间预处理的步骤如下：

关节变量与工作域的映射可表示为：

其中，W为工作空间；q＝[q₁,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇]为广义关节变量；w(q)为广义关节变量函数；Q为关节空间变量，也称约束空间；R³为三维空间。在实际应用中，空间机械臂关节活动范围主要受结构、自身连杆位置关系和环境条件等的限制。用不等式来表达每一个广义关节的运动范围，即q_i,min≤q_i≤q_i,max(i＝1,2,...,7)，所能达到的点的集合即认为是机械臂的工作区域，则机械臂的工作区域可表示为：

根据上式的映射关系，对关节变量通过均匀分布赋以一定数量的符合关节变化要求的随机量，从而得到由随机点构成的工作空间图形(称为云图)，这样就构成了蒙特卡洛工作空间。

为了解决太空环境障碍物的影响，引入碰撞检测算法，其过程采用二叉树的方式进行机械臂与机械臂之间以及机械臂与环境之间的碰撞检测，具体过程如下：

将机械臂的关节、连杆各部件按照相应的尺寸进行长方体包络；

将已知的环境信息进行长方体包络；

按照包络的长方体尺寸生成相应的AABB盒，以关节为单位将每个关节包含的所有长方体生成相应的AABB树，将所有的关节构成AABB树生成森林；

同理，构建环境包络的二叉树森林；

根据建立的森林进行，二叉树之间的遍历，如果二叉树底层的长方体相交测试返回碰撞，则两物体之间发生碰撞，否则，未发生碰撞。

结合蒙特卡洛法和碰撞检测算法得到空间机械臂的无碰撞工作空间。

步骤102，依据空间机械臂中间构型网络构建，获得所需空间机械臂中间构型集；

具体方法为，以A*算法的空间机械臂避障路径规划为底层，其方法是整个过程采用分段拼接的方法进行路径搜索，当从起始点到目标点之间的路径不能直接到达时，通过启发式搜索方法，搜索若干中间点，将起始点与目标点和中间点拼接在一起，就可以形成完整的路径。当算法执行结束时，中间点个数随即确定。由于启发项的介入，在每个搜索步骤中，算法始终趋向资源配置最优的方向进行，保证整个任务代价最小。启发式搜索算法的启发函数，如下式所示：

f(p)＝g(p)+h(p)

其中，f(p)代表该节点的代价值，g(p)代表起点到任意节点n的最小代价值，h(p)代表到目标节点n的代价启发值。而g(p)、h(p)的代价值是通过多个不同优化目标共同决定的，如下式所示：

g(p)＝k1×g1(p)+k2×g2(p)+...

h(p)＝k1×h1(p)+k2×h2(p)+...

其中，k1、k2…为相应的权值，g1(p)、g2(p)和h1(p)、h2(p)等为相应的优化函数，通过结合不同的优化目标得到该节点在当前状态下的适应性，比如，优化目标可以是关节行程，末端距离，消耗能量等指标。而p是函数的决策变量，它由不同的变量决定，是一组集合。

基于A*算法，对随机生成无碰撞任意构型的空间机械臂利用此方法规划到操作物所在工作区域，满足此条件的构型，则保留构型；不满足条件的构型，则继续遍历，直到所有构型都遍历完，保留下的构型集合称为空间机械臂的安全构型集。

鉴于任务的时间紧迫，需要综合考虑距离和关节行程的优化指标，采用线性加权和法对空间机械臂的安全构型集筛选，具体步骤如下：

以线性加权和法的算法，针对操作物的工作区域中每个散点以距离和关节行程综合指标，得到每个散点对应最优地空间机械臂匹配构型，所有的空间机械臂匹配构型的集合为空间机械臂匹配构型集。

为了更好地存储中间点的信息，对空间机械臂匹配构型集进行筛选。依据操作物的工作区域大小，划分成若干个区域，对每个区域挑选最优的空间机械臂的中间构型。具体方法，根据每组匹配构型到散点的代价值来优化减少匹配构型数目。在最优匹配构型集中选择出对应工作区域最小的匹配构型，并将此匹配构型舍弃，则所对应的栅格分配给其他最优匹配构型，即舍弃的匹配构型对应的所有区域在剩余匹配构型集中找到到此区域代价值最少的最优匹配构型。依次类推，若干个区域都对应相对应地最优匹配构型，则挑选出的若干个组匹配构型称为空间机械臂中间构型集。

步骤103，依据预处理和空间机械臂中间构型集，设计一种应急操作方法，完成空间机械臂辅助操作物应急操作到指定位置。

具体的，在空间机械臂辅助操作物应急操作前，首先判断操作物和空间机械臂是否属于这两种状态，包括：①空间机械臂初始构型自身碰撞；②操作物位置已知，但不在空间机械臂可达范围工作空间内。除此之外，利用应急操作方法将操作物运送到指定位置。

具体的应急操作方法，当操作物需要紧急返回到指定位置时，而任意构型的空间机械臂执行其他操作任务。此时，操作物发出信号，空间机械臂在接收到信号时，需在第一时间停止当前任务，并开展对操作物应急操作。

对于在线规划过程中，直接采用直线和关节空间规划的速度非常快，两点之间直线和关节空间规划的距离和时间是最短的。所以，当操作物发出信号时，首先考虑空间机械臂能不能通过直线规划或者关节空间规划直接进行应急操作规划。此方法行不通，则通过其他的规划策略进行规划。

在进行策略规划之前首先通过预处理和空间机械臂中间构型网络构建的方法进行相应的离线规划处理，即操作物工作区域和空间机械臂工作空间的预处理及空间机械臂中间构型网络构建，分别得到操作物所在的区域信息和空间机械臂的无碰撞工作空间信息及空间机械臂中间构型之间规划信息。在规划之前已经存储规划信息，接下来进行在线的处理策略，具体流程如下，如图4所示：

首先，空间机械臂直接采取直线规划或关节空间规划到达目标位置辅助操作物，如果此策略行不通；然后，空间机械臂从当前构型切换到操作物所在位置对应的中间构型，再根据已存的中间点的信息规划到操作物位置；最后，利用直线规划、关节空间规划或返回目标中间构型到达指定位置。

本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例的技术方案中，依据操作物工作区域及空间机械臂工作空间的预处理，获得所需操作物工作区域的划分和空间机械臂的无碰撞工作空间；依据空间机械臂中间构型网络构建，获得所需空间机械臂中间构型集；依据预处理和空间机械臂中间构型集，设计应急操作方法，完成空间机械臂辅助操作物应急操作到指定位置。

本发明通过将操作物工作区域的预处理，构建了空间机械臂中间构型集，实现了空间机械臂辅助操作物应急到指定位置，很好地为操作物到指定位置提供了方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种空间机械臂应急操作方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)依据操作物的区域和空间机械臂工作空间的预处理，获得所需操作物的区域划分和空间机械臂的无碰撞工作空间；

(2)依据空间机械臂中间构型网络构建，获得所需空间机械臂中间构型集；

(3)依据预处理和空间机械臂中间构型集，设计一种空间机械臂应急操作方法，完成空间机械臂应急操作的任务。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作物的区域划分至少包括：

操作物的区域的表面栅格化，采用OSG的三维引擎的线段求交方法，并设置扫描精度对操作物的区域进行表面散点采样，得到操作物的区域的表面散点集合文件，根据操作物的区域大小，对区域表面的每个散点进行归类，划分成若干个区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间机械臂的无碰撞工作空间至少包括：

空间机械臂的无碰撞工作空间，通过蒙特卡洛法获取空间机械臂工作空间，再结合碰撞检测算法，将机械臂与机械臂自身碰撞构型及机械臂与环境碰撞的构型剔除，即可得到空间机械臂的无碰撞工作空间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间机械臂中间构型集构建至少包括：

空间机械臂的安全构型集是通过空间机械臂的无碰撞工作空间中任意构型采用避障路径规划算法成功规划到操作物的区域的构型集合；

空间机械臂的匹配构型集是采用线性加权和法算法，以距离和关节行程作为优化指标，再根据操作物的区域的划分和优化指标，对空间机械臂的匹配构型集筛选到每个区域都对应最优地空间机械臂的匹配构型，所组成的集合是空间机械臂的中间构型集。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一种空间机械臂应急操作方法至少包括：

设计一种空间机械臂应急操作方法，利用空间机械臂应急操作方法将操作物运送到指定位置，其中，操作物和空间机械臂的状态分析包括操作物位置和空间机械臂工作状态的情况，判断操作物位置是否在空间机械臂可达工作范围内，因此，基于操作物的工作区域预处理和构建空间机械臂中间构型集，设计一种空间机械臂应急操作方法。